氙氣泄漏檢測設備的性能測試
新型空間電推進技術具有高比沖、小推力、長壽命等優點，將廣泛應用于新一代衛星推進系統中。由于氙氣具備較低的電離能和較高的原子能量，是電推進主要的推進劑。針對衛星電推進系統氙氣供給子系統在加注氙氣過程中可能造成的泄漏，研制了氙氣泄漏檢測設備。通過介紹設備結構、技術指標、檢測方法等相關技術內容，給出了設備的性能測試結果。測試結果表明：研制的氙氣泄漏檢測設備完全能夠滿足電推進系統加注氙氣時泄漏檢測的技術要求。
引言
離子電推進是利用電能加熱、離解和加速工質形成高速射流而產生推力的技術。此技術具有高比沖、小推力、長壽命等特點。這些特點正適合于航天器對推進系統提出的高速飛行、長期可靠工作和克服較小阻力的要求。氙氣具有較低電離能和較高原子質量，因此通常用氙氣作為離子電推進的推進劑。電推進技術的核心部件離子推力器利用電子轟擊氙原子產生氙離子，氙離子在電磁場的約束下，通過柵極加速，高速噴出而產生推力。
氙氣加注是由氙氣供給子系統完成的。氙氣貯存在貯箱中，經過壓力控制系統將貯箱中氙氣輸送到多路流量控制系統中的每一路推力器中。真空技術網(http://shengya888.com/)認為氙氣的儲量將直接影響電推進的使用壽命。氙氣加注在發射場進行，加注管路的密封性能、氙氣的純度均由氙氣供給子系統保證。為了確保加注過程可靠，衛星能夠在軌長壽命運行，保證加注人員人身安全以及降低加注成本，需要對加注過程中氙氣泄漏進行實時檢測。
1、氙氣泄漏檢測方法與設備
1.1、幾種氙氣泄漏檢測方法的比較
根據技術要求，氙氣泄漏檢測設備應該能夠檢測出泄漏在空氣中的氙氣濃度，泄漏量等內容。目前常用和成熟的有三種方法：
(1)氣相色譜-質譜聯用分析法。該方法具有定量測量精度高、靈敏度高等特點，是一種常用的大型分析儀器。在醫學研究中，利用該儀器測量血液中的氙濃度。其方法是利用He載氣將樣品引入毛細管進行色譜分析，質譜測量129 m/e和132 m/e峰，儀器的測量下限為2×10-6 Pa；
(2)熱導傳感器法。利用不同氣體熱傳導率不同，在不同濃度下改變電阻原理而制成的傳感器，通過電信號測量檢測該氣體的濃度。類似這種測量儀器如：氫濃度測量儀、CO報警器等。AP-G-氙氣-2是氙檢測儀，用于醫用麻醉的氙泄漏檢測，儀器分辨為0.1%；
(3)質譜檢測法。利用不同氣體具有不同質量的特點進行質譜分析。質譜計可測量氙氣的同位素峰132 m/e峰的強度并利用氙氣-氮氣-氧氣標準氣體驗證，可以測量空氣中的氙氣濃度，采用高性能四極質譜計可以測量空氣中氙氣的同位素峰。對上述氙氣檢測方法的比較，如表1所列。
表1 幾種氙氣檢測方法比較
通過表1的綜合比較，擬采用四極質譜計法對氙氣進行泄漏檢測。四極質譜計法鑒別能力強，設備體積重量適中，非常適合用于發射場氙氣加注現場泄漏檢測。
1.2、設備結構
氙氣泄漏檢測設備結構框圖如圖1所示，包括四極質譜計、高真空抽氣系統、進樣系統、標準氣體校準系統和計算機等5部分。
圖1 氙氣泄漏檢測設備結構圖
1. 四極質譜計電源；2. 四極質譜計探頭；3. PKR251 型真空規；4. 質譜室；5. 針閥；6. 標準氣體；7. 取樣管；8. 切換閥門；9. 機架；10. 取樣泵；11. 前級泵；12. 渦輪分子泵；13. 真空計；14. 計算機
1.3、設備技術指標
設備的主要技術指標為：
(1)質譜室的極限壓力≤5×10-5 Pa，10 min內壓力波動小于10%；
(2)質譜室工作壓力范圍：1×10-3～5×10-3 Pa；
(3)啟動時間：質譜室保持真空條件下，高真空系統啟動30 min后質譜室壓力<1×10-4 Pa；
(4)設備總漏率<5×10-9 Pa·m3/s
(5)氙氣最小可檢濃度：體積濃度<1×10-5。
2、氙氣泄漏檢測設備性能測試
2.1、質譜室性能測試
(1)質譜室極限壓力測試。質譜室極限壓力是對質譜室經過一系列烘烤除氣手段和較長時間抽氣之后，能達到的最低壓力值。用真空計進行測試；
(2)質譜室壓力穩定度測試。壓力穩定度是在設備工作條件下，質譜室工作壓力的波動與工作壓力之比。測試方法為：在質譜室壓力小于1×10-5 Pa時，通過調節針閥5進樣，使壓力維持在工作壓力范圍內，記錄壓力和時間的變化曲線。在10 min時間段內，測量壓力波動的偏差值與工作壓力之比即為壓力波動；
(3)質譜室工作壓力范圍測試。質譜室工作壓力是質譜室達到極限壓力后，通過調節針閥進樣，使質譜室壓力在設計的工作壓力范圍(1×10-3～5×10-3 Pa)內變化，能維持質譜室的正常工作；
(4)啟動時間測試。設備啟動時間是指在設備初始狀態下，從開機到質譜室壓力維持在工作壓力范圍內所需的時間。
2.2、設備總漏率測試
設備總漏率測試是指通過氦質譜檢漏儀對質譜室總體進行檢漏得到的漏率值。測試方法為：將設備與氦質譜檢漏儀通過接口連接，標準漏孔安裝在質譜室上，按照氦質譜真空檢漏方法對質譜室進行總漏率測試。
2.3、氙氣泄漏檢測設備最小可檢濃度測試
由于氙氣是化學穩定的惰性氣體，具有明顯的特征峰，因此不會與空氣起反應，空氣中氣體成分的質譜峰對氙氣的質譜峰并不干擾。通過測量132 u的離子流變化和濃度的增值，判斷氙氣是否泄漏及泄漏量。設備最小可檢濃度的具體操作方法及步驟如下：
(1)設備加電，啟動前級泵，待質譜室壓力小于1.2×102 Pa，啟動分子泵；
(2)待質譜室內壓力小于1×10-4 Pa，用網線連接計算機與質譜計；
(3)啟動計算機與質譜計，啟動質譜計控制軟件，確保計算機與質譜計正常通信；
(4)啟動取樣泵，調節取樣閥進樣，將質譜室壓力控制在1×10-3～5×10-3 Pa范圍內；
(5)在計算機軟件中設置開啟質譜計燈絲與倍增器，啟動多離子掃描模式，設置掃描M=132 u峰；
(6)觀察波形變化和波峰顯示情況，記錄氙氣本底噪聲IN和本底峰強度的穩定值I′132；
(7)配制不同濃度的氙氣-空氣混合氣體(標準氣體)C132；
(8)當設備處于最佳工作參數時，將步驟(7)配制好的標準氣體引入質譜室中，測量M=132 u峰的離子流強度I132。設備對氙的最小可檢濃度λmin 計算為式(1)：
式中：C132為混合氣體中氙氣的濃度，由下表2配制得出；
(9)重復上述操作，即可得出氙氣最小可檢濃度。表2中1號氙氣為已知濃度的氙氣-氮氣-氧氣混合氣體(標準氣體)，其余為配制的氙氣-氮氣-氧氣混合氣體(標準氣體)。通過試驗驗證即可獲得設備最小可檢濃度。
試驗數據表明：氙氣加注泄漏檢測設備可以檢測到的最小濃度為1.0×10-7。氙氣泄漏檢測設備實測技術指標如表3所列。
表2 氙氣加注泄漏檢測設備最小可檢濃度
表3 氙氣泄漏檢測設備技術指標測試結果
3、結論
氙氣泄漏檢測設備經過性能測試，技術指標滿足技術要求。其中最小可檢濃度的測量下限達到1×10-7。設備的靈敏度范圍在1×10-7～1×10-1之間，此靈敏度范圍可以檢測出小于1×10-6 Pa·m3/s的漏孔，滿足氙氣供給子系統漏率指標要求。然而，氙氣泄漏檢測設備檢測數據的準確性還需要通過標準氣體進行校準。因此樣品的采集很重要，除了取樣管的材質、尺寸、長度有嚴格要求之外，還需對配制標準氣體的儀器氣密性、穩定性嚴格把關，同時還需要具有精確測量壓力的儀器。
氙氣泄漏檢測設備為靶場氙氣供給子系統加注氙氣提供保障，可以避免因泄漏引起的各種不安全因素。目前，該設備已正式交用戶方驗收，很快將應用于發射場電推進氙氣加注過程中的泄漏檢測。
